城市排水管網設施智能管理解決方案研究

孫雪梅，劉全海，冉慧敏，陳凱，羅迪

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213000； 2.常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213000)

1 引 言

城市排水設施是城市市政建設的基礎，保障城市排水處理設施安全正常運行，防治城市水污染、內澇災害是城市排水管理的重要工作。作為中央“污染防治”攻堅戰、生態文明建設的重要內容，江蘇省“263”專項行動旨在通過減排、減污，治理黑臭水體、水環境等影響環境質量最直接問題，提升生態保護水平。城市排水設施是水環境治理的基礎設施，“智慧城市”的逐步推進也要求城市排水管理向智能化方向提升。排水系統具有結構復雜、縱橫交錯、分布廣泛、信息量大、保存期長、要求不間斷運行等特點，傳統管理模式對海量、三維、具有典型空間分布性和時序性的城市排水信息難以實現準確高效的管理和分析，無法為排水管理部門提供準確的決策依據[1]。設施信息及設施運維存在的信息孤島，也影響城市排水高效統籌管理。

深圳、上海等地已經嘗試將GIS可視化技術引入到城市排水管理中，實現了排水管網、水廠等基礎設施的圖形化管理；無錫等城市也利用物聯網技術搭建自己的排水綜合管控平臺，提供系統自動化運管技術支持[2，3]。GIS可視化技術作為基礎設施數據管理工具，物聯網作為遠程管控工程已經成功應用至城市排水管理中，但多以排水設施可視化管理、遠程管控為主，黑臭河道整治、片區整改、污染源普查等關鍵水環境治理業務還存在技術空白，城市排水管理尚未形成全流程動態、智能、全面監管。如何融合GIS可視化、物聯網技術，實現城市排水全流程智能監管是當前智慧城市框架下的研究重點。

基于上述問題，本文從城市排水設施管理及全流程智能監管業務出發，搭建排水綜合信息庫，融合移動應用、WebGIS等GIS可視化及物聯網感知技術，在設施一張圖上融合治水管理業務，建立線上線下一體化、全流程實時主動監控的“智慧排水”應用模式，實現城市排水管理定量化、信息化和網格網管理，提高城市排水的科學管理水平。

2 城市排水管網設施智能化管理關鍵點

城市排水系統的建設與城市化同步進行，由于建設周期長，不同地塊的排水系統運行和維護狀況各有不同，各類排水設施信息分散，導致管理難以深入，無法形成系統、全域的城市排水管理模式。

GIS可視化、移動互聯網、物聯網感知等技術的引入，以線上管理指揮、及時主動服務，線下主動運維調控，在線信息整合的方式，實現排水信息資源的全面、準確、實時感知，覆蓋排水污染源頭防治、排水過程監控、日常管理、排水處理末端監控，建立排水全域、全過程監管模式，進而實現排水管理由靜態被動式向實時在線主動式管理轉變，以數字化基礎建設、智能互聯，以智慧應用為導向逐步推進智慧排水建設，最終實現城市排水的最優化管理[4]。

2.1 搭建城市排水設施綜合信息庫

城市排水管理涉及的信息類別復雜，包括城市排水管網、河湖要素、水利工程設施、排污企業。各類設施空間分布和結構特性均不同，需要摸清各類設施的空間分布、設施容量、運轉情況，建立數字化排水設施檔案，并利用關系型數據庫組織管理，建立城市排水基礎設施信息庫。數據庫在設計時需要綜合：

(1)空間數據的多時態管理技術

排水設施具有時序特征，因而可以實體為單位建立時間索引，數據的變更以實體的變化為事件觸發，存儲實體所有變化，使用戶可以以時間軸過濾空間數據[5]。專題數據現勢、更新未審核或歷史等不同時態也針對性標記管理，滿足城市排水管理過程中專題數據動態變化跟蹤需要。

(2)多源異構數據組織

排水管網管理包含排水基礎設施設計、建設、施工、管理、運維監管全流程，數據類型包括空間信息、屬性信息、視頻檢測多媒體數據，還包括視頻、監測指標等物聯網感知信息。數據庫設計時，需要綜合考慮不同數據類型的存儲要求，建立不同信息間的聯系，滿足排水管網不同運行管理階段數據獲取要求。

2.2 建立排水設施數據動態更新流程

為保障城市排水綜合信息庫的現勢、完整，還需要建立排水設施數據的動態更新機制：

(1)管線等高頻更新數據，建立數據采集、數據整理、數據檢查到數據入庫和數據更新整個數據生產入庫過程，保障數據準確性[6]；

(2)泵站、排污企業等水利工程設施，更新量及更新頻次均不高，直接利用基礎軟件更新；

(3)管網養護數據，采用增量式追加入庫；

(4)排水工程管理、綜合治水等業務數據，可以利用Web或移動端平臺根據業務進展按需在線更新；

(5)物聯網監測數據按數據類別更新：與位置相關數據利用軟件系統在線更新，指標監測數據則定期保存，視頻監測數據按需保存。

2.3 以基礎設施為主線，梳理串聯排水管理業務

城市排水工程施工、管網養護、污染源普查、黑臭治理、排水片區整改、污水處理等治水業務與管線、河流、雨污水管道等基礎設施緊密相關，因而可以依托基礎設施空間實體，將排水管理全流程業務信息與設施地理實體掛接，將動態業務信息空間化，形成治水一張圖，在基礎設施圖上串聯業務數據，從業務數據也能跟蹤相關基礎設施，不僅整合了不同部門間分散的業務信息，集約建設，資源整合，共建共享，而且通過可視化手段追蹤排水業務實時進展，提升管理便捷性[7]。

2.4 引入物聯網技術實現排水智能互聯

城市排水管理需要實時獲取一些實時數據：如用戶所在位置、河流水質，排污流量、管網中的液位、排水井蓋的真實情況等。可以引入物聯網技術，將空間定位、物理量感知、視頻感知三類典型物聯信息作為切入點，通過無線、藍牙、基于串口的COM連接等泛連接技術，突破物聯網多源異構信息集成難題，實現城市水利資源的實時、在線監控[8]。結合GIS可視化技術，在排水一張圖上將基礎設施與動態監測信息智能互聯，監測指標實時匯總分析獲取結果，實現排水管理業務數字化，提高排水管理服務效率[9]。

2.5 建設排水管網設施智能管理信息系統

考慮到排水管理不同階段應用需求，可以綜合CAD、GIS可視化技術、移動互聯網技術研發互聯互通的專題系統，各系統相互配合，搭建起集數據管理、業務流轉為一體的排水綜合管理平臺，統籌線上線下排水管理，推進排水管理全過程監管。

排水設施工程管理涉及大范圍的管網規劃、設計，可以基于CAD研發排水設施管理系統，滿足排水基礎設施單體化管理，同時打通CAD與GIS數據庫雙向聯通鏈路，設計雨污水管線等基礎設施數據更新流程，實現排水綜合信息庫空間數據的動態更新[10，11]。

基于WebGIS技術可以研發輕量化的排水應用系統，以電子地圖等地理空間數據為基礎，將各類排水專題數據集中在一張圖，提供數據填報、編輯接口，融合黑臭河流、排水片區、污染源等治水數據，接入在線監測視頻、水質指標信息等物聯網接口，在線、動態監管排水基礎設施運維情況及城市治水業務進展信息，實現排水設施、綜合治水一站式管理[12]。

移動互聯網與GIS可視化技術配合可以實現排水一站式管理向移動端拓展，突破線上線下工作界限，集現場排水巡查、設施管理、綜合治水、督查督導等業務流程為一體[13]。

3 總體架構及平臺建設

根據第2節城市排水管網設施智能化管理目標和關鍵點分析，智慧排水解決方案以數據為基礎核心，以業務整合為手段，最終實現智能管理核心，解決方案整體架構如圖1所示：

圖1 智慧排水解決方案總體框架圖

整套解決方案以排水基礎設施、物聯網監測數據、管網運行維護數據、治水業務數據在內的數據為核心，圍繞排水數據標準、數據存儲、數據更新、數據管理，利用Oracle關系型數據庫進行后臺數據管理，軟件平臺采用三層結構，以GIS、CAD平臺、移動互聯網技術搭建集C/S、B/S、M/S應用為一體的綜合性平臺，提供數據更新、管理、GIS可視化編輯、物聯網指標監測、移動巡查等應用服務，覆蓋城市排水管理源頭管控、過程管理、末端監控全流程業務管理，實現數字建檔、智能互聯、綜合應用的“智慧排水”。

4 綜合應用案例

常州市武進區通過兩期工程建設，一期以排水數據建庫管理為重點，二期以治水一張圖建設為重點，基于智慧排水解決方案搭建的綜合平臺通過排水信息資源的全面、準確、實時感知，以一個數據中心，一張圖，一套軟件平臺，通過數據、應用服務的形式，統籌全區設施及業務信息，已經實現了武進區排水管理由傳統粗放模式轉型升級，改變了武進區污水治理作業模式，提升了武進區排水管網設施信息化管理水平，武進區城市排水管理逐步向為數字化、信息化、精細化的智慧排水模式轉變。

4.1 排水設施資產統一管理

通過整合排水管道、泵站、圩堤等多源異構排水基礎設施，建立排水基礎設施數字化檔案，通過GIS可視化技術實現排水設施一張圖展示，武進區目前已經實現了排水設施資產的精細化管理，詳盡掌握城市排水設施資產的地理空間信息及運維狀況，配合CAD管理系統，可實時更新基礎設施的變更，動態管理城市排水設施的同時，對城市排水能力也有了準確評估。

4.2 城市排水管網工程管理

武進區排水綜合信息庫設計時不僅能容納現勢排水設施信息，還容納了規劃、在建的排水管網等設施信息，二者在排水一張圖上同步展示，通過追蹤工程信息，可以實現規劃、現勢信息動態融合，使得排水管網與工程項目互通互聯，實現排水管網工程“動態規劃、分期建設、統籌管理”，符合排水管網規劃發展最新理念。

4.3 為常州市污染源普查、整治提供技術支撐

武進區智慧排水綜合平臺包含有全區排水管網、全區河流湖泊分布圖，利用現場踏勘、河流水質監測等手段可以快速建立城市黑臭水體檔案，利用空間分析功能獲取直通河流的排口信息。基于GIS的連通性分析功能，可以快速獲取與排口相連的雨水管網線路，根據聯通的雨水管網，再利用緩沖區分析功能，可以在圖上高亮顯示可能污染源，從而可以加快污染源普查效率。

通過污染源普查工作，可以明確城市污染源分布及污染種類，在排水一張圖上添加與排口動態相關的污染源實體信息，以排口、污染源地理空間實體為圖形化基礎，串聯后期污染源治理計劃，建立城市污染源治理一覽圖，動態監管跟蹤各污染源治理進展，如圖2所示。

圖2 基于智慧排水綜合平臺的城市污染源普查整治

4.4 排污企業接管，重點行業固定污染源精細化管理

利用排污企業接管系統，通過用戶填報及互聯網POI定位等多種方式，摸清武進區所有排污企業空間分布、企業排放污染物種類、污染物量和排放方向，接管全區排污企業，為全面推進排污企業持證排污目標奠定基礎，推進重點行業固定污染源精細化管理。結合全區污水管網分布和排污企業信息(圖3、圖4)，不僅能直觀展示企業是否都已接入污水管網，還能準確評估當前管網排污能力是否容納實際排污量，為后期排水管網規劃提供數據基礎。

圖3 重點排污企業接管

圖4 重點排污企業接管統計

4.5 管網養護

通過制定管網視頻檢測數據標準，規范視頻檢測數據，利用排水CAD管理系統同樣實現了CCTV、QV等管網內部檢測資料動態更新，更新的多媒體數據也進行空間化，表征實際管道、實際檢測位置，并與實際管道相關聯，同時關聯后期管網養護資料，實現了管網養護追蹤一張圖管理。

4.6 黑臭河道整治

黑臭河道是當前武進區污水治理的重點，掌上排水集的應用通過移動、在線、現場辦公形式，改變了傳統人員現場勘查、手動更新模式，打通不同作業流程通道，使得日常巡查、問題督辦、責任落實業務一個平臺完成，提高黑臭河道治理辦公效率，如圖5所示。水質物聯網監測信息的接入，并按月匯總生成水質報表，形成黑臭河道整治一覽表，方便跟蹤黑臭治理進展，如圖6所示。

圖5 掌上排水—黑臭河道整治 圖6 掌上排水—水質監測

4.7 排水片區改造

城市排水片區改造是完善城市排水體系、改善城市環境的重要舉措。武進區排水片區分為分流、混流、截留片區，利用掌上排水移動巡查功能，實現了武進區排水片區空間位置摸排、現場巡查管理為一體，依據排水現狀及污染源特性，通過移動在線辦公，問題現場發現、現場填報、現場管理，分步驟、分社區逐漸過渡，不斷縮小合流制區域范圍，最終達到整個流域排水系統的雨污分流。

5 總結與展望

本文從智慧排水解決方案所需的數字建檔、智能互聯、智慧應用出發，分析城市排水管理涉及的部門、設施、業務信息，基于GIS可視化技術和物聯網智能互聯，理清關鍵技術點，集成線上管理、線下運維業務體系，形成實時在線主動全流程監管的智慧排水解決方案，覆蓋城市排水管理污染源頭防治、排水過程監控、日常管理、排水處理末端監控的全流程業務，并以常州市武進區排水管理關鍵業務為例，介紹智慧排水解決方案在具體業務中發揮的作用。未來，平臺可在排水基礎數據的基礎上，進一步融合氣象、水文、數字高程模型數據、城市用地數據，建立城市排水管網模型利用GIS可視化技術進行匯水分析，評估城市易淹易澇區域，為城市智能防汛調度提供技術支撐[14]。黑臭河道治理、污染源普查結果可進一步應用至城市生態修復，而多源異構數據的融合和準確及時的分析結果數據也可利用云計算技術共享至其他市政管理應用部門，最大化發揮智慧排水效能。